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控制与算法 构网型GFM ★ 5.0

构网型逆变器的交叉构网控制与故障电流限制

Cross-Forming Control and Fault Current Limiting for Grid-Forming Inverters

作者 Xiuqiang He · Maitraya Avadhut Desai · Linbin Huang · Florian Dörfler
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年11月
技术分类 控制与算法
技术标签 构网型GFM
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 交叉形成控制 并网逆变器 故障电流限制 电压角度形成 暂态稳定性
语言:

中文摘要

本文针对在电网故障情况下运行的构网型逆变器提出了一种“交叉形成”控制概念。交叉形成是指电压相角形成和电流幅值形成。它与经典的构网型和跟网型范式不同,经典构网型范式以电压幅值和相角形成为特征,跟网型范式则以电压幅值和相角跟踪(或电流幅值和相角形成)为特征。交叉形成概念旨在满足逆变器在管理故障电流限制的同时保持构网能力(特别是满足电网规范要求的电压相角形成)的需求。文中提出了简单可行的交叉形成控制实现方法,使逆变器在对称或不对称故障穿越期间,能够迅速将故障电流限制在规定水平,同时保留用于构网同步的电压相角形成能力,并提供动态辅助服务。此外,交叉形成控制产生了一个具有恒定虚拟阻抗和“标准形式”表示的等效系统,从而可以将先前建立的暂态稳定性结果扩展到包含电流饱和的场景。仿真和实验验证了所提出的交叉形成控制实现方法的有效性。

English Abstract

This article proposes a “cross-forming” control concept for grid-forming inverters operating against grid faults. Cross-forming refers to voltage angle forming and current magnitude forming. It differs from classical grid-forming and grid-following paradigms that feature voltage magnitude-and-angle forming and voltage magnitude-and-angle following (or current magnitude-and-angle forming), respectively. The cross-forming concept addresses the need for inverters to remain grid-forming (particularly voltage angle forming, as required by grid codes) while managing fault current limitation. Simple and feasible cross-forming control implementations are proposed, enabling inverters to quickly limit fault currents to a prescribed level while preserving voltage angle forming for grid-forming synchronization and providing dynamic ancillary services, during symmetrical or asymmetrical fault ride-through. Moreover, the cross-forming control yields an equivalent system featuring a constant virtual impedance and a “normal form” representation, allowing for the extension of previously established transient stability results to include scenarios involving current saturation. Simulations and experiments validate the efficacy of the proposed cross-forming control implementations.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项"交叉构网"(Cross-Forming)控制技术为我们的光伏逆变器和储能系统产品线带来了重要的技术突破机遇。该技术通过解耦电压角度控制和电流幅值控制,在保持构网能力的同时实现故障电流限制,这正是当前高比例新能源接入电网面临的核心挑战。

对于阳光电源而言,这项技术的价值主要体现在三个层面:首先,它能够增强我们构网型逆变器在电网故障期间的鲁棒性,使设备既满足电网规范要求的电压角度构网特性,又能有效保护功率器件免受过流损坏。其次,该技术提出的等效恒定虚拟阻抗模型为暂态稳定性分析提供了理论基础,这将显著提升我们在大型光伏电站和储能电站系统集成方案中的设计可靠性和并网适应性。第三,在对称和不对称故障穿越场景下,该控制策略能够快速限流并持续提供动态辅助服务,这对于我们拓展电网侧储能和虚拟电厂业务具有战略意义。

从技术成熟度评估,论文已完成仿真和实验验证,具备较强的工程化可行性。建议我们的研发团队重点关注以下方向:一是将该控制算法与现有SG系列构网型逆变器平台深度融合,优化控制参数以适配不同应用场景;二是结合我们在弱电网接入方面的技术积累,探索交叉构网控制在复杂电网环境下的适应性边界;三是评估该技术对系统成本的影响,特别是在IGBT/SiC器件选型和热管理设计方面的优化空间。这项技术的应用将进一步巩固阳光电源在构网型新能源装备领域的技术领先地位。